KR100277373B1 - 흡수식 냉동기의 정류장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 기액향류형(氣液向流型) 정류장치에 있어서, 상승하는 냉매증기와 흘러내리는 액의 기액접촉을 충분히 하여 정류성능을 개선하는 기술에 관한 것이다.

본 발명에 있어서는, 재생기(4) 위에 위치하는 정류기(5)를, 하단의 회수단 및 상단의 농축단의 2단 구성으로 한다. 회수단에는 충전재 엘레멘트(7a, 7b)를 배치하고, 농축단에는 충전재 엘레멘트(7c, 7d)를 배치한다. 충전재 엘레멘트(7a, 7c)는 바닥면을 뿔형상(錐狀)으로 하고, 유하액을 중앙으로 모음과 동시에, 상승하는 냉매증기를 주위로 분산시킨다. 그 결과, 냉매증기의 속도분포는 균일하게 되고 적하액은 벽면을 따르는 경향이 없어져, 기액접촉이 양호하게 되어, 정류성능이 향상한다.

Description

흡수식 냉동기의 정류장치

본 발명은, 흡수식 냉동기의 정류장치에 관한 것으로서, 특히 흡수제 용액 및 냉매액의 재생능력을 높이기에 적합한 흡수식 냉동기의 정류장치에 관한 것이다.

흡수 냉동 사이클을 이용한 흡수식 냉동기에 있어서는, 냉매증기를 발생하였기 때문에 온도가 저하한 냉매와, 상기 냉매증기를 흡수하여 온도가 상승한 흡수제 용액을, 각각 냉수나 냉각수로 열 교환시킴으로써 소망하는 공조용 냉풍이나 온풍을 얻도록 하고 있다. 상기 흡수제 용액은 냉매증기를 흡수함으로써 흡수제의 농도가 저하되고, 그 결과, 흡수능력이 저하되므로, 이 흡수제 용액의 농도를 회복하기 위하여, 흡수제 용액으로부터 냉매를 분리하는 재생기가 설치된다. 또, 상기 재생기에 의해 분리된 냉매증기를 더욱 고순도의 냉매증기로서 응축기에 공급하기 위하여 정류장치가 설치된다.

상기 정류장치는, 일반적으로 펄 링이나 래쉬히링 등의 칩형 충전재를 채워 넣은 통형상의 탑(정류탑)이다. 상기 정류장치에서는, 농도가 저하한 흡수제 용액(희석액)을 위쪽으로부터 상기 칩형 충전재를 통과시켜 흘러내리게 하는 한편, 재생기로부터 상승해 오는 냉매증기를 이 희석액에 접촉시켜 상기 냉매증기의 순도를 높이고 있다.

상기 정류장치를 흘러내리는 희석액은 상기 정류장치의 내벽면을 따르는 경향이 있다. 또, 아래쪽으로부터 상승하는 냉매증기는 상기 내벽면과의 마찰 등의 관계에서 상기 내벽면쪽에서는 그 유속이 작고, 중앙부분에서는 그 유속이 커지는 경향이 있다. 따라서, 유하액은 내벽면으로 밀어내어져 중앙부분으로 흘러내리기 어려워지고, 그 때문에 기액접촉이 효과적으로 행하여지지 않아, 기대한대로 냉매증기의 순도를 높일 수 없다는 문제점이 있었다.

그 문제점에 대하여, 특수한 충전재 엘레멘트를 사용한 정류장치가 제안되어 있다(일본국 실공 소63-10450호 공보). 상기 충전재 엘레멘트는, 스테인레스선 등으로 이루어지는 금속섬유를 파(波)형상 성형한 금속망을 원통형상으로 감은 것이며, 특히 중심부를 외주부보다 단단히 감아서 밀도를 높게 한 것이다. 상기 충전재 엘레멘트는 중심부의 밀도가 높기 때문에, 이곳을 통과하는 냉매증기는 중심부보다 밀도가 낮은 외주부로 흐르기 쉬워져, 결과적으로 중심부일수록 유속이 큰 증기유속분포가 개선되어 균일해지는 것을 기대하고 있다. 한편, 정류장치를 흘러내리는 희석액은 모세관현상에 의하여 상기 충전재 엘레멘트의 중앙부로 모이는 경향이 있기 때문에, 이 유하액을 주위로 퍼뜨리기 위한, 뿔형상으로 형성된 분산판을 병용하고 있다.

상기 충전재 엘레멘트를 사용한 종래의 정류장치에는 다음과 같은 문제점이 있었다. 통상, 냉매증기의 순도를 높이기 위하여 충전재 엘레멘트가 다단으로 겹쳐 쌓여져 사용된다. 그런데, 상기 정류장치에서는 충전재 엘레멘트를 겹쳐 쌓음과 동시에, 각각의 충전재 엘레멘트의 사이 및 최하부에는 뿔형상의 분산판을 배치하여야 한다. 그 때문에, 구조가 복잡해짐과 동시에 정류장치의 높이가 높아져, 결과적으로 정류장치가 대형화되는 경향이 있고, 특히 가정용 소형 흡수냉동기로는 적합하지 않다는 문제점이 있었다. 또, 뿔형상의 분산판은 복수의 원추판을 소정의 간격으로 배열하여 조립한다는 복잡한 제조공정을 거쳐야 한다는 문제점도 있었다.

본 발명은, 간단한 구성의 충전재 엘레멘트를 사용하여 냉매증기를 효과적으로 고순도화하여 운전효율을 향상시킬 수 있는 흡수식 냉동기의 정류장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 재생기에서 발생시킨 냉매증기를 기액접촉부를 통과시켜 그 순도를 높이고, 상기 고순도의 냉매증기를 응축기로 공급하는 흡수식 냉동기의 정류장치에 있어서, 상기 기액접촉부가, 상기 냉매증기와 접속시키기 위한 액을 분산시키는 액분산기와, 상기 냉매증기와 상기 액분산기로부터 낙하하는 액을 접촉시키기 위하여 상기 액분산기의 아래쪽에 설치되고, 바닥면 중앙부분이 팽출한 뿔형상을 이루는 충전재 엘레멘트로 이루어지는 점에 특징이 있다.

이 특징에 의하면, 액분산기로부터 충전재 엘레멘트 위에 분산하여 떨어뜨려진 액은, 충전재 엘레멘트를 흘러내릴 때, 뿔형상을 이룬 상기 충전재 엘레멘트의 바닥면 중앙에 모인다. 또, 충전재 엘레멘트의 아래쪽으로부터 상승해 온 냉매증기는 뿔형상을 이룬 상기 충전재 엘레멘트의 바닥면을 따라 외주쪽으로 퍼진다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 정류장치의 단면도,

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 관한 정류장치를 포함한 흡수식 냉동기의 냉매와 흡수제 용액의 순환계통 블록도,

도 3은 분산기의 평면도,

도 4는 본 발명의 실시형태에 관한 정류장치의 작용을 종래의 것과 비교하기 위한 모식도.

이하에, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 관한 정류기를 포함하는 흡수식 냉동기의 흡수제 용액 및 냉매의 순환계통을 나타낸 블록도이다. 동 도면에 있어서, 증발기(1)에는 냉매로서 트리플루오로에탄올(TFE) 등의 플루오르화알콜이 수용되고, 흡수기(2)에는 흡수제로서의 DMI유도체(디메틸이미다졸리디논)용액 즉 흡수제 용액이 수용되어 있다. 증발기(1)와 흡수기(2)는 증발(냉매)통로(3)를 거쳐 서로 유체적으로 연결되어 있고, 증발기(1)와 흡수기(2) 내를 30mmHg 정도의 저압으로 유지하면, 증발기(1)의 냉매는 증발하여 통로(3)를 통과하여 흡수기(2) 내로 들어가 흡수제 용액으로 흡수된다.

이 때, 냉매는 냉매증기를 발생하여 그 온도가 저하하고, 흡수제 용액은 상기 냉매증기를 흡수하여 그 온도가 상승하여, 흡수냉동동작이 행하여진다. 증발기(1)에는 냉수를 통과시키는 배관(도시생략)이 설치되고, 흡수기(2)에는 냉각수를 통과시키는 배관(도시생략)이 설치된다. 이들 배관에 온도가 저하된 냉매액 및 온도가 상승된 흡수제 용액이 각각 분사되어, 냉수는 온도가 낮추어지고, 냉각수는 온도가 높여진다. 이들 냉매나 흡수제 용액에 의하여 냉각 또는 승온된 냉수 및 냉각수는 예를 들어 에어컨의 실내기에 급송(給送)되어 냉방이나 난방에 사용된다.

상기 흡수제 용액은 냉매증기를 흡수하여 농도가 저하하면 흡수능력이 저하되므로, 그 농도를 높여 흡수능력을 회복하기 위하여 재생기(4) 및 정류기(5)가 설치된다. 재생기(4)는 흡수제 용액을 저류하는 탱크부(4a)와 저류되어 있는 흡수제 용액을 가열하는 가열수단으로서의 가스버너(4b)로 이루어진다. 가열수단은 가스버너가 바람직하나, 전열기나 다른 가열수단이어도 된다.

재생기(4)의 상부에 배치된 정류기(5)는 전체가 통형 형상을 이루고, 하부에는 충전재 엘레멘트(이하, 「충전재」라 함)(7a, 7b)가 배치된 회수단이 위치하고, 상부에는 충전재 엘레멘트(7c, 7d)가 배치된 농축단이 위치하고 있다. 상기 흡수기(2)로부터 급송되는 농도가 저하된 흡수제 용액(희석액)은 상기 회수단의 충전재(7b)의 상부에 도입되어 떨어뜨려진다. 증발기(2) 내의 냉매도 그 순도가 약간씩이나 서서히 저하하기 때문에, 정류기(5)에 매우 소량씩 급송되어 순도의 회복이 도모된다. 순도가 저하한 상기 냉매는 상기 농축단의 충전재(7d)의 상부에 도입되어 떨어뜨려진다. 정류기(5)의 상부는 냉매증기를 응축액화하는 응축기(6)에 유체적으로 연결되어 있다.

재생기(4)의 탱크부(4a)에는 미리 일정량의 흡수제 용액이 수용되어 있어, 가스버너(4b)에 점화되면, 흡수제 용액은 가열되어 흡수제와 냉매의 비점 차에 의하여 냉매증기가 발생한다. 여기에서는 냉매증기와 흡수제 용액은 충분히 분리되어 있지 않으므로, 상기 냉매증기에는 흡수제 용액이 혼입되어 있다. 동시에 흡수기(2)로부터의 희석액의 급송이 개시된다. 희석액은 충전재(7a, 7b)를 통과하여 흘러내리는 중에, 아래쪽으로부터 상승해 오는 냉매증기와 접촉하여, 냉매증기의 온도를 저하시킨다. 그 결과, 냉매증기가 상승해 감에 따라 이것에 혼입되어 있는 흡수제 용액이 액화분리되어, 냉매증기의 순도가 서서히 높여진다.

또한, 증발기(1)로부터 급송되어 오는, 흡수제 성분이 매우 조금 혼입된 냉매액이 농축단의 충전재(7c, 7d)를 통과하여 흘러내릴 때, 상기 회수단을 통과한 냉매증기와 접촉하여 더욱 냉매증기의 온도는 저하하여 흡수제 성분이 분리되고, 상기 냉매증기는 한층더 순도가 높여진다. 농축단에서 순도가 높여진 냉매증기는 응축기(6)에 급송되어 응축액화되어 증발기(1)로 회수된다.

정류기(5)의 구성을 더욱 상세하게 서술한다. 도 1은 정류기의 확대단면도이다. 정류기(5)는 작은 지름부(5a)와 큰 지름부(5b)로 이루어지는 원통을 이루고, 상기 원통의 상단은 폐색되고, 하단은 재생기(4)의 탱크부(4a) 상부개구에 개방되어 있다. 상기 원통의 상부측벽에는 상기 응축기(6)와의 연통로를 형성하는 플랜지(8a)를 가지는 연결관(8)이 설치되어 있다. 큰 지름부(5b)의 하단 근방에는 플랜지(9)가 팽출하고 있고, 이 플랜지(9)는, 도시생략한 볼트에 의해 상기 재생기(4)의 탱크부(4a)에 연결된다. 상기 정류기(5)는 상하로 분할된 두 개의 부재로 이루어져 있어, 작은 지름부(5a)의 중간에서, 서로의 끝단부에 형성된 플랜지(10, 11)를 볼트·너트로 이루어지는 체결부품(12, 13)으로 조립하여 일체로 형성하고 있다. 즉, 정류기(5)는 체결부품(12, 13)을 떼어 냄으로써 두 개로 분할 가능하다.

상기 큰 지름부(5b)에는 두 개의 충전재(7a, 7b)가 겹쳐 쌓여진 상태로 충전되어 있어, 특히, 하단의 충전재(7a)는 바닥면 중앙부가 아래쪽으로 팽출하여 뿔형상을 이루고 있다. 마찬가지로, 작은 지름부(5a)에는 두 개의 충전재(7c, 7d)가 겹쳐 쌓여진 상태로 충전되어 있어, 특히, 하단의 충전재(7c)는 아래쪽끝단 중앙부가 아래쪽으로 팽출하여 뿔형상을 이루고 있다. 여기에서, 뿔형상이란, 입체기하학상 정의되는 엄밀한 입체형상에 한정하지 않고, 전체적으로 중심쪽이 외주쪽보다 높아져 있는 입체형상을 포함한다. 충전재에 관해서는 다시 후술한다.

충전재(7b)의 윗면에는 다리(14)에 의해 상기 충전재(7b) 윗면과의 간격을 유지한 상태로 분산기(15)가 얹혀져 있다. 상기 분산기(15)에 대해서는, 그 평면도를 나타낸 도 3도 참조하면서 설명한다. 분산기(15)는 희석액을 받기에 적합하도록 바닥이 있는 원통 즉 공기(椀)형상의 분산판(15a)을 가지고 있으며, 상기 분산판(15a)의 바닥부에는 희석액을 떨어뜨리게 하기 위한 적하구멍(16)이 복수(예를 들어 5개) 뚫어 설치되어 있다. 상기 적하구멍(16)의 주위에는 희석액이 흘러들어가기 쉽도록 뿔형상의 스폿 페이싱이 설치되어 있다. 상기 적하구멍(16)에 대응하여 분산판(15a)의 밑면에는 분산노즐(17)이 고착되어 있다. 상기 각 적하구멍(16) 사이에는 냉매증기를 위쪽으로 통과시키기 위한 원통형의 냉매통로(라이저)(18)가 복수(예를 들어 4개) 세워 설치되어 있다. 분산판(15a)에는, 상기 라이저(Riser ; 18)의 각각에 대응하여 냉매증기의 통과를 가능하게 하는 구멍(도시생략)이 설치되어 있다.

분산기(15)의 위쪽에는 큰 지름부(5b)의 벽면을 관통하여 수평방향으로 뻗은 노즐(19)이 배치되어 있으며, 상기 노즐(19)을 통하여 희석액이 분산판(15a) 위에 떨어뜨려진다. 노즐(19)의 수평부분의 끝단은 폐색되어 있는 한편, 상기 수평부분의 밑면에는 희석액을 분산판(15a) 위에 떨어뜨리게 하기 위한 미소구멍(도시생략)이 복수 설치되어 있다. 이 미소구멍으로부터 떨어뜨려지는 희석액이 라이저(18)를 통하여 아래쪽으로 직접 낙하하는 것을 피하기 위하여, 라이저(18)에는 덮개(18a)가 설치되어 있고, 상기 라이저(18)를 통하여 상승해 오는 냉매증기는 상기 덮개(18a)에 부딪쳐 옆쪽의 개구로부터 방출되어 위쪽으로 빠진다.

또한, 상기 노즐(19)을, 희석액 적하용 미소구멍이 상기 라이저(18)의 바로 위에 위치하지 않도록 피하여 배치하고, 희석액 및 충전재(7c)로부터 떨어뜨려지는 냉매가 라이저(18)에 뿌려지지 않도록 하면, 덮개(18a)를 생략할 수 있다. 이 경우, 라이저(18)의 구조는 간소화되어 제작이 용이하게 된다.

작은 지름부(5a)의 충전재(7d)에는 분산기(20)가 설치되어 있고, 상기 분산기(15)와 마찬가지로, 다리(21)에 의해 지지되고 있음과 동시에, 분산판(20a)을 가지며, 상기 분산판(20a)에는 라이저(22)와 테이퍼구멍(23) 및 테이퍼구멍(23)에 대응하여 설치된 분산노즐(24)이 설치되어 있다. 분산기(20)의 위쪽에는, 상기 노즐(19)과 동일한 노즐(25)이 배치되어 있고, 상기 노즐(25)을 통하여 흡수제 성분을 매우 조금 함유한 냉매액이 증발기(1)로부터 급송된다.

계속해서, 충전재(7a 내지 7d)에 관하여 상술한다. 충전재(7a 내지 7d)는, 예를 들어 다음과 같이 하여 제작된다. 먼저, 충전재(7a나 7c)를 제작하는 경우에는, 스테인레스선을 편직하여 스트랩형상의 철망을 제작하고, 이 철망을 감아 롤을 형성한다. 다음에, 이 롤을 원추형상의 바닥부를 가지는 원통 금형에 집어넣어 상기 롤의 바닥면 외주쪽을 압축하고, 상대적으로 중앙부를 팽출시킴으로써, 도 1에 나타낸 바와 같은 형상의 충전재(7a, 7c)를 형성한다. 또, 상기 롤형상의 철망의 감김 중심부를 상기 감기방향과 직교하는 방향으로 돌출시킴으로써 뿔형상을 형성할 수도 있다. 이 경우, 롤의 감기방향에 직교하는 방향의 한쪽끝단은 뿔형상으로 돌출하나, 다른쪽끝단은 반대로 뿔형상으로 오목하게 된다.

충전재(7b나 7d)를 제작하는 경우에도, 충전재(7a나 7c)와 동일하게 하여 롤을 형성하나, 그 후 이것을 금형에 집어넣어 밀도를 높여도 되고, 롤 그대로 최종형상이 결정되도록 감아도 된다.

충전재(7a 내지 7d)는 선재(線材)를 편직한 철망을 소재로 하지 않아도, 예를 들어 단순히 다수의 선재를 금형에 집어넣어 가압 성형하여 소망하는 형성을 얻도록 해도 된다. 또, 뿔형상의 바닥부형상을 가지는 그물형상의 형재에, 선재나, 칩형 충전재 즉 펄 링이나 래쉬히링을 집어넣어 이 형재와 함께 정류기(5)에 충전하도록 해도 된다.

요는, 분산기(15)나 재생기(4)에 유하액이 떨어지는 바닥면부분에서 볼록형상의 뿔형상을 이루는 것과 같은 충전재로 되어 있으면 된다. 따라서, 충전재(7a, 7b 및 7c, 7d)는 반드시 분할되어 있지 않아도, 일체로 회수단 및 농축단의 충전재를 각각 구성하고 있어도 되는 것은 물론이다. 단, 분할함으로써, 충전재(7a 내지 7d)의 개별 사이즈는 작아지고, 성형시의 취급이 용이해진다는 이점이 있다.

이어서, 본 실시형태와 종래 기술에 대하여 유하액 및 냉매증기의 흐름을 대비한다. 도 4는 유하액 및 냉매증기의 흐름을 나타낸 모식도이며, 동 도면 (a)는 본 실시형태에 관한 것, 도 4 (b)는 종래 기술에 관한 것이다. 동 도면에 나타낸 바와 같이, 윗면 및 밑면이 모두 평탄하고 밀도가 균일한 종래 기술의 충전재(A)를 사용한 정류기(5)에서는, 유하액(Lq)은 주위를 따르는 경향이 있는 것에 부가하여, 냉매증기(Vp)의 유속은 충전재 중앙부에서 빨라져 있으므로, 유하액(Lq)은 점점더 정류기(5)의 벽면으로 밀어 보내지게 된다.

한편, 본 실시형태에 관한 바닥면이 뿔형상의 충전재(B)를 사용한 정류기(5)에서는, 유하액(Lq)은 충전재(B)의 뿔형상의 바닥면의 테이퍼를 따라 중앙부에 모이는 경향을 나타내고, 또한 냉매증기(Vp)는 충전재(B)의 뿔형상의 밑면을 따라 주위로 퍼지므로 중앙부의 높은 유속이, 이 퍼짐에 의해 상쇄되어 유속의 분포가 보다 균일해진다. 그 결과, 기액접촉이 충분히 행하여져 정류의 성능이 향상된다.

또, 충전재의 보수력이 너무 크면 액의 유하가 저지되는 홀드 업 또는 플라딩을 생기게 하기 때문에, 보수력은 적당하게 설정해야만 하나, 뿔형상 바닥면의 충전재(B)에서는 넓은 보수력의 범위에서 액이 바닥부 중앙으로 모이는 흐름이 생겨, 이것에 의해 원활하게 흘러내린다. 따라서, 충전재의 보수력의 조정이 용이해져 양호한 기액접촉상태를 유지할 수 있고, 또한 테이퍼면 부분을 따라 중앙부분에 모여 떨어지므로 바닥면 부분에서의 기액접촉면적을 크게 할 수 있다.

이상의 설명에서 명백한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 충전재에 대하여 아래쪽으로부터 상승해 오는 냉매증기는 옆쪽으로도 분산되므로, 그 속도분포는 거의 균일하게 되고, 상기 충전재 중에서는 액은 거의 같은 속도로 원활하게 흘러내린다. 또, 충전재를 흘러내린 액은 바닥면에 이르면, 뿔형상의 바닥면을 따라 중앙에 모이기 때문에, 냉매증기와의 접촉면적이 커진다. 따라서, 기액접촉상태가 양호하게 되어 정류성능이 향상된다.

Claims (5)

1. 재생기에 의해 발생시킨 냉매증기를 기액접촉부를 통과시켜 그 순도를 높이고, 상기 고순도의 냉매증기를 응축기로 공급하는 흡수식 냉동기의 정류장치에 있어서,

   상기 기액접촉부가,

   상기 냉매증기를 광범위하게 접촉액과 접촉시키기 위하여 상기 접촉액을 분산시키는 액분산기와,

   상기 냉매증기와 상기 액분산기로부터 낙하하는 접촉액을 접촉시키기 위하여, 상기 액분산기의 아래쪽에 설치되고, 바닥면 중앙부분이 팽출한 뿔형상을 이루는 충전재 엘레멘트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기의 정류장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기액접촉부를 상하 2단 구성으로 함과 동시에,

   상단의 액분산기의 위쪽에 설치된 냉매액 적하용 노즐과,

   하단의 액분산기의 위쪽에 설치된 흡수제 용액 적하용 노즐을 구비하고,

   상기 하단의 기액접촉부는 한 방향의 흡수제 용액의 흐름과 반대방향의 냉매증기의 흐름을 접촉시키는 회수단을 가지고,

   상기 상단의 기액접촉부는 한 방향의 냉매액의 흐름과 반대방향의 냉매증기의 흐름을 접촉시키는 농축단으로 한 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기의 정류장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 각 단의 액분산기가, 냉매증기를 상기 노즐쪽으로 통과시키는 라이저를 구비하는 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기의 정류장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 회수단의 액분산기에 설치된 라이저는 상기 충전재 엘레멘트의 중앙부분 바로 아래를 피하여 배치한 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기의 정류장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 충전재 엘레멘트가, 롤형상으로 감은 철망으로 이루어지고, 상기 롤의 바닥면 외주쪽을 롤 축 방향으로 압축시켜 상대적으로 바닥면 중앙부분을 뿔형상으로 팽출시킨 것을 특징으로 하는 흡수식 냉동기의 정류장치.